鮮愛明(綜述)，曹 力(審校)

(新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院骨科中心,烏魯木齊 830054)

納米材料是指粒徑在1～100 nm同時具有特殊物理化學性能的材料,主要由納米晶粒和晶粒界面兩部分組成。當粒徑<10 nm時，其表面原子數(shù)急劇增加，納米粒子的比表面積總和可達100 m2/g。使物質(zhì)的熔點顯著降低，化學活性以及電磁學、力學、比熱、光學、擴散、燒結(jié)等性能發(fā)生特殊的改變。龐大的比表面積造成大量的不飽和鍵，出現(xiàn)許多活性中心，使得納米材料具有作為催化劑的基本條件，同時使得納米材料具有極強的吸附能力。無論是對促使物質(zhì)腐敗的氧原子、氧自由基，還是產(chǎn)生其他異味的烷烴類分子等，均具有極強的抓俘能力，使其具有防腐抗菌功能[1]。

目前骨科假體植入術(shù)后感染率為1%～4%[2]，開放性骨折術(shù)后感染率超過30%[3]。越來越多的細菌對抗生素產(chǎn)生耐藥，因此骨科植入物材料表面改性，使其具有良好的組織相容性和抗菌活性成為研究的重點。近年來人們逐漸認識到，細菌黏附于生物材料表面并進一步形成生物膜是植入物感染發(fā)病的關(guān)鍵[4]。骨科植入物材料表面的結(jié)構(gòu)成分、表面形貌特點以及親水性均與細菌黏附有關(guān)，可通過植入物表面涂層改變這些性狀以減少或避免細菌黏附。

1 羥基磷灰石的化學結(jié)構(gòu)與生物學功能

羥基磷灰石(hydroxyapatite,HA)是含羥基的磷酸鈣鹽，其鈣磷摩爾比為1.67，質(zhì)量比為2.16。HA晶體為六方晶系，屬L6PC對稱性和P63/m空間群,其晶胞參數(shù)a=b=0.938～0.943 nm,c=0.686～0.688 nm。通過透射電鏡觀察、電子衍射分析及同步輻射熒光微探針技術(shù)研究證實，HA納米粒子可以進入細胞內(nèi)，直接作用于細胞質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，應用激光掃描共聚焦顯微鏡技術(shù)，可以定量研究HA納米粒子在細胞內(nèi)的作用靶點及其含量的變化。HA在體內(nèi)的降解，早期以理化過程和體液溶解為主，后期以生物過程和細胞介導降解為主(植入早期主要是巨噬細胞發(fā)揮作用，而植入后期是破骨細胞起主導作用)[5]。另外，實驗研究還表明HA本身具有一定的抗菌作用。在HA晶體中存在兩種不同的吸附點，一種是由鈣離子所致的帶正電荷的起陰離子吸附作用的負電吸附點；另一種是由磷酸根所致的帶負電荷的起陽離子吸附作用的正電吸附點[6]。正是由于這種吸附作用的存在，才使得帶不同電荷的細菌(一般細菌帶負電荷)能夠被吸附到HA晶體表面，然后通過靜電吸引作用，使細菌細胞中酶代謝功能產(chǎn)生障礙，最終導致其喪失呼吸功能而失活[7]。

2 納米銀的抗菌活性研究

2.1銀離子的抗菌機制 銀離子的抗菌機制較復雜，到目前還存在很大爭議，比較一致的認為是通過干擾細菌DNA解鏈，使DNA分子不能有效復制，最終導致細菌死亡[8]。細菌細胞膜和細胞內(nèi)存在含有巰基的功能蛋白質(zhì)和含有氮、氧、硫的電子供體結(jié)構(gòu)，銀離子與這些電子供體結(jié)合使蛋白質(zhì)變性，同時影響電子的釋放。銀離子可以長期持續(xù)殺菌，其機制是可以從失活的菌體中游離出來，進入其他細菌，反復發(fā)揮殺菌作用。大量的研究證明，銀的抗菌譜較廣，對革蘭陽性菌與革蘭陰性菌均具有殺滅作用[9]；對真菌也有很好的抑制作用[10]；還可殺滅對傳統(tǒng)抗結(jié)核藥物已產(chǎn)生耐藥性的結(jié)核分枝桿菌[11-12]；對人類免疫缺陷病毒[13]、乙肝病毒[14]、禽流感病毒[15]也有一定的抑制作用。納米銀的抗菌作用具有形狀和尺寸依賴性[16]。

2.2銀離子抗菌作用的影響因素 銀離子抗菌效果的影響因素較多。銀離子濃度與抑菌作用呈正相關(guān)，針對不同的菌種，銀離子的最小抑菌和殺菌濃度不同。分析最近幾年文獻發(fā)現(xiàn)，各種方法制備的載銀生物涂層中含銀量低于5wt%，均獲得良好的抗菌性能[17]。銀離子的價位越高，殺菌作用越強；偏堿性的環(huán)境更有利于銀離子發(fā)揮抗菌作用；體液溫度上升，銀離子的流動性加快，細菌接觸的機會增多，銀離子在37 ℃下的殺菌作用是4 ℃時的3倍；銀離子大小、形狀、分布與抗菌活性也密切相關(guān)[18]。不同的含銀抗菌載體材料，其抗菌作用也不相同，銀離子容易緩釋的載體，作用持久，抗菌效果良好；骨科植入物在體內(nèi)時間越長，銀離子釋放越多，如醫(yī)用抗菌不銹鋼需要近6 h的作用時間才能發(fā)揮抗菌作用[19]。

2.3納米銀的生物安全性評價 以傳統(tǒng)的生物安全性評價方法(ISO10993標準)，對納米銀醫(yī)療產(chǎn)品進行急性經(jīng)口毒性、皮膚刺激、眼刺激、遺傳毒性、皮膚過敏等試驗的結(jié)果均為陰性[20]。提示納米銀屬于無毒物質(zhì),但并不能證明其具有絕對的安全性。在體外進行細胞培養(yǎng)時發(fā)現(xiàn)，含銀敷料對角蛋白細胞和成纖維細胞可能產(chǎn)生毒性，而影響傷口愈合[21-22]；不同濃度納米銀抗菌劑對小鼠成纖維細胞均有毒性，隨著濃度的增加細胞毒性亦增大[23]；小鼠吸入納米銀(15 nm)顆粒物后，元素銀立刻出現(xiàn)在肺組織中，并且在肝、腎、腦和心臟等重要的組織器官中也相繼出現(xiàn)[18]；大鼠連續(xù)吸入納米級銀離子3個月后，肺組織出現(xiàn)了炎性反應[24]；用銀顆粒(60 nm)對大鼠連續(xù)灌胃4周后，肝功能出現(xiàn)輕度損害[25]；將納米銀植入Wistar大鼠背部皮下組織3個月后，顯示納米銀可以通過血睪屏障，在脾臟被巨噬細胞吞噬而大量蓄積[26]；納米級銀粒子比微米級銀粒子的體外細胞毒性更大，是因為更容易被細胞當成異物內(nèi)吞并影響其代謝[27]?？傊?，納米銀除了發(fā)揮其強大的抗菌作用外，對組織和器官會產(chǎn)生一定的影響，其生物安全性越來越受到學者的關(guān)注。

3 鈦基表面羥基磷灰石納米銀復合涂層的研究與應用

3.1鈦基表面羥基磷灰石納米銀復合涂層常用的制備方法 鈦基表面HA納米銀復合涂層的制備方法較多，可分為物理方法和化學方法。物理方法有真空等離子噴涂和磁控濺射法，前者缺點是設(shè)備昂貴、處理溫度高、工藝復雜；優(yōu)點是噴涂時間短、涂層與基底結(jié)合強度高。后者的缺點是成本較高，所形成的膜相對較??；優(yōu)點是成膜速率高，基片溫度低，膜的黏附性好[28]?；瘜W方法較多且各有優(yōu)缺點。溶膠-凝膠法目前雖然廣泛應用在玻璃、陶瓷、涂層等領(lǐng)域，但因為生產(chǎn)過程中工藝時間長、成本較高，逐漸被其他方法取代。脈沖電泳沉積法是在低溫條件下進行的，因此基體和涂層界面之間不存在殘余熱應力問題，同時也避免了高溫噴涂引起的相變和脆裂，有利于增強基體與涂層之間的結(jié)合力[29]。該過程是一種非線性工藝，可以在形狀復雜和表面多孔的基體上制備出均勻的涂層；沉積過程中，可以通過控制電流強度、電壓大小、沉積溫度以及溶液pH值等實驗參數(shù)，來控制涂層的厚度、表面結(jié)構(gòu)和孔隙率等；該方法設(shè)備投資少、原材料利用率高、生產(chǎn)費用低、工藝簡單、易于操作，是一種比較方便而且經(jīng)濟的方法。微波法合成HA納米銀材料是一種新方法，具有反應時間短、操作簡單、高效環(huán)保的優(yōu)點，可以快速成核，制備的材料銀離子分布均勻、HA粒徑較小[30-31]。離子交換法是液相和固相中離子間的一種可逆性化學反應，但制作工藝中會導致鈣的流失，制備的材料有可能會影響成骨細胞的生長和骨的傳導性[32]。

3.2鈦基表面羥基磷灰石納米銀復合涂層的應用現(xiàn)狀 由于HA涂層與鈦金屬熱膨脹系數(shù)有較大的差異，涂層與基體存在較大的殘余應力，HA復合涂層在鈦基表面相當松脆，結(jié)合強度較低，缺乏韌性，雖然經(jīng)過高溫燒結(jié)，強度有所增加，但一般均小于20 MPa[33]。在骨科手術(shù)中，為了使接骨板更加良好的貼附于骨面，常常需要折彎塑形，這樣很容易使內(nèi)固定物表面的涂層脫落，限制了其臨床應用。在關(guān)節(jié)假體柄上涂層，只能用于非骨水泥型材料，或者在近端的特定區(qū)域涂層，遠端填充骨水泥。但是，如果填充骨水泥不當，會導致手術(shù)失敗。對于骨代謝性疾病、影響骨長入的疾病、長期放化療或需要長期服用消炎痛以及翻修患者中骨量嚴重丟失需要完整骨移植者，都不能用非骨水泥股骨柄涂層的關(guān)節(jié)假體，以免涂層脫落和關(guān)節(jié)松動。雖然羥基磷灰石納米銀復合涂層材料具有比惰性金屬材料和骨水泥更好的生物相容性，理論上和動物實驗效果好于非涂層的假體，但是只改善了早期固定效果，中期和遠期固定效果仍然不是很理想。在臨床應用中發(fā)現(xiàn)，羥基磷灰石納米銀復合涂層假體中期松動率，顯著大于單純骨水泥固定假體。因此，改善鈦基HA納米銀涂層的結(jié)合強度，是臨床應用的基礎(chǔ)；嚴格掌握應用的適應證和禁忌證是提高臨床療效的根本保證。

4 展 望

鈦金屬表面HA納米銀涂層制備方法很多，各有優(yōu)缺點，缺乏橫向的比較和系統(tǒng)的研究；載銀無機抗菌劑都不同程度地存在穩(wěn)定性問題，在紫外線照射下或加熱至一定溫度后，銀離子容易被還原為單質(zhì)銀，其抗菌性能減弱；銀離子與植入物的結(jié)合能力欠佳，涂層脫落是造成關(guān)節(jié)假體松動的重要原因；關(guān)節(jié)假體在體內(nèi)與人體共處15～20年，如何控制銀離子的濃度和釋放速度，其良好的生物相容性和安全性成為迫切需要解決的問題。隨著多學科的交叉研究不斷深入，骨科植入物HA納米銀抗菌涂層在臨床的應用將有一個廣闊的前景。

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